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冷板散热器的设计步骤和常见加工工艺

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冷板类似于风冷或者自然散热中的散热器,是液冷设计中相对可变的组件,其它诸如泵、快接头、膨胀罐、脱气罐、过滤器甚至换热器等多数都可以通过计算几个关键参数来在既有成熟产品系列中选型来实现。因此,本章重点阐述冷板散热器的设计。

设计冷板散热器时,基本考量因素如下:

l  通过在一定体积空间内加大固体与流体的接触面积实现换热强化;

l  通过导热界面材料接触发热源;

l  存在流体与固体的接触面;

l  发热源热量先传递到冷板,然后再传递到冷板中流动的液体介质,带出系统。

很显然,冷板的设计步骤和要考量的因素与风冷或自然散热设备中的散热器类似。只不过冷板面临的流体介质是液体,而强迫风冷或自然散热中散热器面临的流体介质则为气体。从如下的设计步骤,也可明显看出这一点:

5.1 计算流量

开始设计冷板之前,需要估算系统散热所需的流量,类似于风冷散热中,在开始系统风道设计之前,需先估算风量的需求。

与风扇风量计算公式相同,液体工质流量的估算依据仍然是能量守恒定律:

Q = P / density / Cp / Δt

式中Cp为流体工质的比热容,density为流体工质密度

举例:工质为水,发热量为5KW,进出水口温升5

流量需求: Q = P / density / Cp / Δt = 5000 / 992 / 4179 / 5 =  2.41 10-4 m3/s = 0.241 L/s

注:水的物性参数参考温度为25℃。

5.2 确定冷板材质

除去成本、可获得性、可加工性等任何设计都需要考虑的因素之外,冷板材质的选定还应关注如下几点:

1)        导热系数

常见的冷板材质是铜(合金)和铝(合金),这两种金属的导热系数都比较高。实际上,电子产品中充当主要散热功能的金属结构件,绝大多数材质都是铜(合金)和铝(合金)。

2)        与液态工质之间的化学相容性

与泵类似,冷板也必须保证其和液态工质之间具备化学相容性。通常,液态工质和冷板之间的电化学反应在所难免,为了降低腐蚀速率,可以在工质中添加缓蚀剂。 缓蚀剂又称为腐蚀抑制剂(anti-corrosive corrosive inhibitor),是指以适当的浓度和形式存在于环境(介质)中时,可以防止或减缓材料腐蚀的化学物质或复合物。当确定了系统中与液冷工质直接接触的材料后,可以根据材料属性选择合适的缓蚀剂。

11-5常见冷板材质与工质相容性表[8]

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注:此处冷板材质是指与液冷工质接触的固体材质,表中打√的表示能够相容


1)        密度

在要求轻量化设计的产品中,这就要使用密度更低的材料。在这种情况下,铝成为非常广泛的选择。如新能源汽车动力电池包内的冷板,通常材质就是铝合金。

2)        凝固点和沸点

液冷工质需要保证在产品使用的环境温度范围内保持液态。如果工质凝固点太高,有可能导致外界气温较低时凝固,工质无法形成循环流动,系统失效;如果工质沸点太低,则可能会在外界温度较高时,液体沸腾生成气体,导致系统失稳。

5.3 流道设计

风冷系统中,一般会通过更改内部发热元件布局,增加或删减结构件来约束空气的走向,进而改变产品内部热量转移方向和转移效率。液冷系统中,液体的走向可以直接通过管路来严格约束。

类似于风冷系统中的空气,作为移热介质,液冷系统中的液体的走向也会直接影响热量的转移方向和转移效率。对冷板进行流道设计时需要考虑如下因素:

1)        热源分布:流体应尽可能接近发热源,降低扩散热阻;

2)        结构避位:属于结构设计范畴,流道需要与冷板上的固定孔保持安全距离;

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11-17 流道应当避开冷板上密布的固定孔


1)        均匀布局:流体应尽可能均匀地掠过冷板,有效利用散热面积。通常,距离流道越远,对散热的贡献越小;


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11-18 雪佛兰Volt动力电池中的铝制液冷冷板,液体均匀流过整个冷板

1)        控制流速:工质对散热器的冲蚀作用会随着流速的增加而恶化,而且流动的阻力也会迅速加大。但显然流速越大,对流换热系数越高。流速需要结合产品散热需求和可用空间,综合给定;

2)        尽量降低流阻:设计串并联流道,降低流动阻力,减少泄露风险;

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11-19 多流道并联的嵌管式冷板

1)        可加工性和成本;

2)        泄压和告警等设计:应在管路合理位置布置压力传感器和温度传感器,实现对系统的实时监测。当压力或温度异常时,采取必要的控制手段。

5.4 冷板类型及其优缺点

液冷系统适应的范围非常广,其应对的产品类型特点千变万化。不同需求下,就需要采用不同类型的冷板。根据工艺难度,常见的冷板可以分为如下几种:钻孔式,压管式,浮泡式,铣槽式,扩展表面式,微通道式等。其优缺点汇总如下:

11-6常见冷板的优缺点

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6 本章小结

液冷设计具备许多与空气冷却不同的特征,本章叙述了不同液冷设计方案的差异,介绍了液冷方案的设计步骤和各个环节应当注意的事项。冷板是液冷设计中的关键物料,它某种程度上决定了液冷工质、泵、换热器等的形式,变化形式繁多,故第五节较为详细地阐述了冷板的设计方法。随着产品功率密度的增加,液冷的应用会越来越多。其设计难度及要考量的因素实际非常繁杂。工业设备中的系统级的液冷设计,甚至要结合建筑本身的特征。笔者水平有限,本章仅叙述了其中最为关键、与温度控制连接最为紧密的部分。感兴趣的读者可以联系作者,针对特定问题进行讨论。

参考文献

[1] 3M氟化液性能参数. https://www.3m.com.cn

[2] 液冷散热系统概述. http://www.ecooling.net

[3] 刘静, 周一欣. 芯片强化散热研究新领域——低熔点液体金属散热技术的提出与发展[J]. 电子机械工程, 2006, 22(6): 9-12.

[4] 马坤全, 刘静. 纳米流体研究的新动向[J]. 物理, 2007, 36(04): 0-0.

[5] 谢华清, 奚同庚, 王锦昌. 纳米流体介质导热机理初探[D]. 2003.

[6] 石育佳, 王秀峰, 王彦青, . CPU 液体冷却器件及冷却液材料研究进展[J]. 材料导报, 2012, 26(21): 56-60.

[7] Pacific W4 Plus RGB CPU 水冷头. http://tw.thermaltake.com

[8] cold plates. www.Lytron.com

[9] 风力发电水冷系统. http://www.beehe.com/pro_view.asp?id=14

             本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第十一章 


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